第五章步進電機步進電動機已成為除直流電動機和交流電動機以外的第三類電動機。

步進電動機是一種用電脈沖信號進行控制，并將電脈沖信號轉換成相應的角位移或線位移的控制電機，說得通俗一點，就是給一個脈沖信號，電動機就轉動一個角度或前進一步。因此，這種電動機也稱為脈沖電動機。

(1)在一定的速度范圍內穩(wěn)定運行，輸出軸轉過的步數(shù)必須等于輸入脈沖數(shù)，既不能多走，也不能少，即不能有“失步”現(xiàn)象。(2)每輸入一個脈沖信號，輸出軸所轉過的角度稱為步距角，該值要小而且精度要高。(3)允許的工作頻率高，這樣才能動作迅速步進電機的基本要求一.步進電機的結構與分類按工作方式分：功率式轉矩大

伺服式轉矩小

按工作原理分：

反應式(磁阻式

)永磁式永磁感應式

反應式步進電機三相反應式步進電機剖面圖

永磁式步進電機永磁式步進電機剖面圖

混合式步進電機混合式步進電機

區(qū)別在于勵磁式步進電機的轉子上有勵磁線圈，依靠電磁轉矩工作。反應式步進電機的轉子上沒有勵磁線圈。依靠變化的的磁阻生成磁阻轉矩工作。反應式步進電機的應用最廣泛，它有兩相、三相、多相之分。這里主要討論三相反應式步進電動機的結構和工作原理。1.

特征：

l

定子內圓和轉子外圓均有齒和槽。

l

定子和轉子的齒寬和齒距相等。2.

規(guī)定：當一相磁極下定子與轉子的齒相對時，下一相磁極下定子與轉子齒的位置剛好錯開（z—齒距，m—相數(shù)）。反應式步進電動機有力矩慣性比高、步進頻率高、頻率響應快、可雙向旋轉、結構簡單和壽命長等特點，應用廣泛。反應式步進電機結構典型結構：三相（六級）步進電機（與交流電機繞法和原理不同）

UVW定子轉子混合式步進電機A－A‘，B－B’剖面

定子上線圈的繞法

轉子（40齒）

相數(shù)：獨立繞組數(shù)。三、四、五、六等相數(shù)。同相的兩個繞組可以串聯(lián)，也可以并聯(lián)磁極數(shù)：2倍相數(shù)齒距角r：轉子相鄰兩齒軸線之間的夾角四齒：900步距角s：輸入一個脈沖時轉子轉過的角度步進電機相關定義與術語1、單三拍運行方式

2、雙三拍運行方式3、單、雙六拍運行方式二.反應式步進電動機的工作原理“單”指每次只能一相繞組通電，“三拍”指通電3次完成一個通電循環(huán)。三相反應式步進電動機的原理結構圖如下：ABCIAIBIC

定子內圓周均勻分布著六個磁極，磁極上有勵磁繞組，每兩個相對的繞組組成一相。采用Y連接，轉子有四個齒。定子轉子

由于磁力線總是要通過磁阻最小的路徑閉合，因此會在磁力線扭曲時產生切向力，而形成磁阻轉矩，使轉子轉動。

現(xiàn)以ABCA的通電順序，使三相繞組

輪流通入直流電流，觀察轉子的運動情況。BCIAIBIC1.單三拍運行方式1.三相單三拍CA'BB'C'A3412

A相繞組通電，B、C相不通電。氣隙產生以A-A為軸線的磁場，而磁力線總是力圖從磁阻最小的路徑通過，故電動機轉子受到一個反應轉矩，在此轉矩的作用下，轉子必然轉到左圖所示位置：1、3齒與A、A′極對齊。“三相”指三相步進電機；“單”指每次只能一相繞組通電；“三拍”指通電三次完成一個通電循環(huán)。CA'BB'C'A3412

同理，B相通電時，轉子會轉過30角，2、4齒和B、B′

磁極軸線對齊；當C相通電時，轉子再轉過30角，1、3齒和C′、C磁極軸線對齊。1C'342CA'BB'A

這種工作方式下，三個繞組依次通電一次為一個循環(huán)周期，一個循環(huán)周期包括三個工作脈沖，所以稱為三相單三拍工作方式。

按ABCA……的順序給三相繞組輪流通電，轉子便一步一步轉動起來。每一拍轉過30°(步距角)，每個通電循環(huán)周期(3拍)磁場在空間旋轉了360°而轉子轉過90°(一個齒距角)。

三相繞組中每次只有一相通電、一個循環(huán)周期共包括三個脈沖，所以稱三相單三拍。（1）一個電脈沖，轉子轉過30

即步距角S=30

（2）①轉速取決于三相繞組的脈沖頻率

②角度取決于脈沖個數(shù)

③方向取決于三相通電次序單三拍工作方式特點（3）易使轉子在平衡位置來回擺動，產生振蕩2.三相雙三拍

按ABBCCA的順序給三相繞組輪流通電。每拍有兩相繞組同時通電。AB通電CA'BB'C'A3412BC通電3412CA'BB'C'ACA通電CA'BB'C'A3412與單三拍方式相似，雙三拍驅動時每個通電循環(huán)周期也分為三拍。每拍轉子轉過30(步距角)，一個通電循環(huán)周期(3拍)轉子轉過90(齒距角)。（1）一個電脈沖，轉子轉過30

即步距角S=30

（2）①轉速取決于三相繞組的脈沖頻率

②角度取決于脈沖個數(shù)

③方向取決于三相通電次序雙三拍工作方式特點（3）兩相的磁極對轉于齒都有吸引力,轉子轉到相應位置后達到力矩平衡,有效避免“失步”。3三相六拍

按AABBBCC

CA的順序給三相繞組輪流通電。這種方式可以獲得更精確的控制特性。CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412

A相通電，轉子1、3齒與A、A'對齊。

A、B相同時通電，A、A'磁極拉住1、3齒，B、B'磁極拉住2、4齒，轉子轉過15，到達左圖所示位置。CA'BB'C'A3412

B相通電，轉子2、4齒與B、B′對齊,又轉過15。3412CA'BB'C'A

B、C相同時通電，C'、C

磁極拉住1、3齒，B、B'磁極拉住2、4齒，轉子再轉過15。三相反應式步進電動機的一個通電循環(huán)周期如下：AABBBCC

CA，每個循環(huán)周期分為六拍。每拍轉子轉過15（步距角），一個通電循環(huán)周期(6拍)轉子轉過90(齒距角)。與單三拍相比，六拍驅動方式的步進角更小，更適用于需要精確定位的控制系統(tǒng)中。單、雙六拍運行方式特點六拍即完成一個循環(huán)，磁場在空間旋轉了360°，轉子仍只轉了1個齒距角步距角卻因拍數(shù)增加1倍而減小到齒距角的1/6，即S=15°。各種工作方式特點歸納（1）拍數(shù)為N，相數(shù)為m時若單拍運行，則拍數(shù)N=m；若單雙拍運行，則N=2m。（2）經過一個通電循環(huán)，轉子轉過1個齒。電機轉速（）：

從以上對步進電機三種驅動方式的分析可得步距角計算公式：—步距角Zr

—轉子齒數(shù)m—每個通電循環(huán)周期的拍數(shù)實用步進電機的步距角多為3和1.5

。為了獲得小步距角，電機的定子、轉子都做成多齒的。圖中轉子表面有40個齒，

l

齒距

（Z—轉子齒數(shù)）

l

步距角

（K—狀態(tài)系數(shù)，三拍時，K=1；六拍時，K＝2）

例如：Z＝40，三相單三拍運行，則

由此可見，轉子齒數(shù)Z↑（或定子相數(shù)m↑，或運行拍數(shù)Km↑），則，控制越精確。

l

轉速

注：實際的步進電機步距角30°太大，必須減?。涸黾酉鄶?shù)，即增加拍數(shù)

（相數(shù)越多，驅動電源就越復雜，常用的相數(shù)m為2、3、4、5、6，不能再增加）增加轉子的齒數(shù)（常用）典型結構如圖40個齒步進電機的帶電定位停車時，轉子不再受到定子磁場的作用力，轉子將因慣性而可能繼續(xù)轉過某一角度，因此必須解決停車時的轉子定位問題反應式步進電動機一般是在最后一個脈沖停止時，在該繞組中繼續(xù)通以直流電，即采用帶電定位的方法。永磁式步進電動機因轉子本身有磁性，可以實現(xiàn)自動定位，不需采用帶電定位的方法。角位移量與輸入脈沖數(shù)成正比，不受電壓及環(huán)境溫度的影響，也沒有累積的定位誤差轉速與輸入的脈沖頻率成正比，控制輸入的脈沖頻率就能準確地控制步進電動機的轉速，可以在寬廣的范圍內精確地調速。三.步進電動機的特點、應用與選擇特點：應用：廣泛用用于計算機數(shù)字控制系統(tǒng)中和數(shù)控機床、自動化設備等。

選用步進電動機時要根據(jù)在系統(tǒng)中的實際工作情綜臺考慮步距角、轉矩、頻率以及精度是否能滿足系統(tǒng)的要求。步進電機的選擇運行特性1靜態(tài)運行狀態(tài)步進電動機不改變通電的狀態(tài)稱為靜態(tài)運行狀態(tài)。靜態(tài)運行狀態(tài)下步進電動機的轉矩與轉角特性，簡稱矩角特性T=f(θ)，是步進電動機的基本特性。步進電動機的轉矩就是同步轉矩（即電磁轉矩），轉角就是通電相的定、轉子齒中心線間用電角度表示的夾角θ，如圖所示。可見轉矩T隨轉角θ作周期變化，變化周期是一個齒距，即2π電弧度。定轉子間作用力

實踐經驗證明:反應式步進電動機的轉角特性接近正弦曲線，如圖反應步進電動機的矩角特性。在θ=0處，轉子處于穩(wěn)定平衡位置,即通電相定、轉子齒對齊位置。因為當轉子處于這個位置時，如有外力使轉子齒偏離這個位置，只要偏離角θ在0°＜θ＜180°的范圍內，除去外力，轉子能自動地重新回到原來位置。θ=±π這個位置是不穩(wěn)定的，兩個不穩(wěn)定點之間的區(qū)域構成靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)。電磁轉矩的最大值稱為最大靜態(tài)轉矩Tmax，它表示了步進電動機承受負載的能力，是步進電動機最主要的性能指標之一。1)矩角特性靜止時若有外部轉矩作用于轉軸上，迫使轉子離開初始平衡位置而偏轉，轉子偏離初始平衡位置的電角度稱為失調角θ轉子會產生反應轉矩，也稱靜態(tài)轉矩

T=-kI2sinθ2)最大靜轉矩：θ為90度時

T=-kI22

步進運行狀態(tài)

步進電動機的步進運行狀態(tài)與控制脈沖的頻率有關。當步進電動機在極低的頻率下運行時，后一個脈沖到來之前，轉子已完成一步，并且運動已基本停止，這時電動機的運行狀態(tài)由一個個單步運行狀態(tài)所組成。步進電動機的單步運行狀態(tài)為一振蕩過程。如圖

步進電動機在連續(xù)運行狀態(tài)時產生的轉矩稱為動態(tài)轉矩。步進電動機的最大動態(tài)轉矩將小于最大靜態(tài)轉矩，并隨著脈沖頻率的升高而降低。頻率很高，周期很短，電流來不及增長，顯然，動態(tài)轉矩也減小了。步進電動機的動態(tài)轉矩與頻率的關系，即所謂矩頻特性，是一條下降的曲線，如圖所示，這也是步進電動機重要特性之一。步進電動機轉子振動過程步進電動機的矩頻特性1)動穩(wěn)定區(qū)：步進電動機從一個穩(wěn)定狀態(tài)切換到另一穩(wěn)定狀態(tài)而不失步的區(qū)域。2)起動轉矩：負載轉矩大于最大起動轉矩時，步進電動機將不能起動。3)起動頻率（希望盡量大）4)矩頻特性（轉矩隨頻率的增大而減?。?.反應式步進電動機的動特性

步距角（θ）及步距誤差

步距角越小,控制越精確。

步距誤差直接影響執(zhí)行部件的定位精度.

最高啟動頻率

最高啟動頻率與步進電機的慣性負載有關.

最高工作頻率與負載有關，在同樣負載下，最高工作頻率遠大于啟動頻率。

矩頻特性Mdf3

驅動電源步進電動機是由專用的驅動電源來供電的，驅動電源和步進電動機是一個有機的整體。步進電動機的驅動電源，基本上包括變頻信號源，脈沖分配器和脈沖放大器三個部分，如圖所示。步進電動機的驅動電源步進驅動系統(tǒng)的連接微機輸出端口輸出端口光電隔離電路光電隔離電路光電隔離電路光電隔離電路光電隔離電路A相放大電路B相放大電路C相放大電路A相放大電路B相放大電路C相放大電路環(huán)形分配器步進電機步進電機ABCABC進給方向進給脈沖步進驅動系統(tǒng)一、步進驅動系統(tǒng)的組成

進給伺服驅動系統(tǒng)數(shù)控裝